光晶格鐘 -簡介

光晶格鐘是光鐘的一種，比現(xiàn)在的銫原子鐘精確1000倍?！肮饩Ц耒姟币栽@得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ)，日本在世界上首次利用鐿原子開發(fā)出光晶格鐘，這種光晶格鐘運(yùn)轉(zhuǎn)60萬年僅誤差一秒。

原理

“光晶格鐘”以曾獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的“光梳”技術(shù)為基礎(chǔ)?！肮馐帷睋碛幸幌盗蓄l率均勻分布的頻譜。

“光梳”擁有一系列頻率均勻分布的頻譜，這些頻譜仿佛一把梳子上的齒或一根尺子上的刻度。

“光梳”可以用來測定未知頻譜的具體頻率，其精確度目前已經(jīng)達(dá)到小數(shù)點(diǎn)后15位。研究人員把用紅色激光冷卻的超低溫鍶原子封閉到被稱為“光晶格”的“容器”里，這樣原子的各種外來擾動(dòng)被消除，可以充當(dāng)鐘的振蕩器。

鐿原子受黑體輻射的影響小，其核自旋也較小。從理論上講，用鐿原子制成的光晶格鐘比傳統(tǒng)的鍶原子光晶格鐘性能更高。但鐿原子光晶格鐘由于光源的開發(fā)非常困難，之前一直未能成功。

“光晶格鐘”理論上每天僅誤差10的負(fù)18次方秒，要比現(xiàn)在的銫原子鐘精確1000倍。除用來測量時(shí)間外，由于其對(duì)重力的影響極其敏感，還可以用于驗(yàn)證愛因斯坦的廣義相對(duì)論。

候選原子鐘

2006年，日本東京大學(xué)研究人員稱，他們正在研發(fā)的“光晶格鐘”將角逐新一代國際標(biāo)準(zhǔn)原子鐘的地位，希望能成為新的全球計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

東京大學(xué)研究生院工學(xué)系研究科助手高本近日證實(shí)，該研究科科學(xué)家香取秀俊主持研究的“光晶格鐘”已作為新一代原子鐘的候選被推薦給國際度量衡委員會(huì)，若正在法國召開的該委員會(huì)會(huì)議采納這一推薦，“光晶格鐘”將成為全球5個(gè)正式候選的新一代原子鐘之一。

新發(fā)展

2011年，日本專家組成的一個(gè)研究小組研制出迄今為止制造的精準(zhǔn)度最高的原子鐘。這臺(tái)光晶格鐘靈敏度極高，能夠探測到地球引力發(fā)生的變化，允許科學(xué)家測量時(shí)間的精度達(dá)到令人吃驚的17位數(shù)。此外，它也可用于大幅改進(jìn)GPS跟蹤系統(tǒng)，探測最小10厘米的高度差。

日本研究小組表示，這是朝著研制人類歷史上最為精確的測量裝置邁出的重要一步。原子鐘用于設(shè)定國際原子時(shí)間或者協(xié)調(diào)世界時(shí)，二者與我們絕大多數(shù)人使用的格林尼治標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間存在差異，但更為精確。隨著時(shí)間的流逝，即使原子鐘也會(huì)失去精確性，必須進(jìn)行調(diào)整以修訂微小誤差。精確性降低與所謂的“迪克效應(yīng)”有關(guān)，也就是原子鐘的激光器產(chǎn)生的不必要的噪音。日本研究人員研制的光晶格鐘避免了這個(gè)問題，同時(shí)更為穩(wěn)定，無需經(jīng)常調(diào)整。

這臺(tái)新原子鐘由東京大學(xué)的英敏香取教授以及他的團(tuán)隊(duì)在澳大利亞新南威爾士大學(xué)維克多·弗拉姆鮑姆教授的幫助下研制。弗拉姆鮑姆表示，光晶格鐘就像是一個(gè)放在草皮上，里面裝有原子的蛋格?！半x子時(shí)鐘通常只有一個(gè)原子，你必須等待很長時(shí)間，才能達(dá)到所希望的精確度。新發(fā)明的原子鐘可以操縱數(shù)千個(gè)原子，能夠更快獲得結(jié)果?！?/p>

除了更為精確外，這臺(tái)光晶格鐘也可用于尋找地下礦物和碳?xì)浠衔?。GPS依靠令人難以置信的精確計(jì)時(shí)，精確度更高的GPS自然能夠發(fā)揮更大作用。GPS追蹤器通過與衛(wèi)星保持通訊工作，衛(wèi)星負(fù)責(zé)報(bào)告位置和時(shí)間。追蹤器內(nèi)的電腦將自己的時(shí)間與衛(wèi)星報(bào)告的時(shí)間相比較，利用差值計(jì)算它們的方位。光以每秒18.6萬英里(約合每秒30萬公里)的速度穿行，如果衛(wèi)星時(shí)間落后于GPS接收器的時(shí)間千分之一秒，接收器便可計(jì)算出它與衛(wèi)星之間的距離為186英里(約合300公里)。